三元磁电复合材料的性能研究与磁电材料传感器的封装和应用

• 作 者: 佟永帅
• 机 构: 厦门大学
• 出 处: 厦门大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 磁电效应 复合材料 磁电传感器 三元相图 粘合法

磁电复合材料是由多种铁性材料复合而成的具有铁电性、铁磁性的新型功能材料，并可以通过铁性材料之间的相互耦合作用实现机械能、电能和磁能的相互转化。磁电复合材料因其室温下显著的磁电效应以及许多潜在的应用（如磁传感器、磁存储器、滤波器以及微型变压器等）受到越来越多的关注。基于该材料的研究背景和已有的理论和实验基础，本论文以层状磁电复合材料为研究对象，进行了三元复合磁电材料的制备和性能研究，并且进行了小型磁电传感器的器件封装设计与应用研究。　　
借用类似三元相图的概念，采用粘合法制备出一系列不同成分的三元Ni/PZT/FeCrCo层状磁电复合材料，测量了它们的磁电回线。采用复平面分析方法，扣除了测量结果中的法拉第感应干扰信号，得到了更为平滑并且对称的磁电回线。三元Ni/PZT/FeCrCo产生了非常规复合效应，可以获得比双层复合结构更高的磁电系数，并且显示出了奇异的滞回行为，具有自偏置效应。　　
采用Ni/PZT/Ni磁电复合材料进行了小型磁电传感器的设计。基于静磁学理论，设计了一款尺寸较小并具有调节功能的偏置磁路。分别采用有限元方法与等效磁路方法对偏置磁路进行了设计与分析，得到了磁路的各个尺寸对于偏置磁场的影响关系，拟合出了等效磁路元件的参数。完成了传感器的整体封装，得到了尺寸为10.8×10.8×40mm3，带有偏置磁路，封装完整的小型交变磁电传感器。　　
运用所制作的小型交变磁电传感器，研究了该传感器在交变电流测量中的应用。搭建了单一导线的测试系统，评估了0～8A电流范围内传感器的输出行为，得到了0.99998的线性度，表明该传感器具有优异的线性度和准确度。进行了0～740A电流范围内的模拟实验，得到了0.99995的线性度，表明该传感器在高电流范围内依旧保持了高准确度，没有出现饱和的现象。随后，对该传感器在测量三相电的不同导线时的导线间相互干扰进行了分析和计算，计算结果表明:选用合适的测量距离，导线间的相互干扰可以降低到1％以下。本文还对引线电容和仪表输入阻抗对传感器输出信号的消弱进行了分析与计算。